【正文】 .........................................................................................................................30 按鍵子程序 .................................................................................................................................................31 PID 控制 子程序 ..........................................................................................................................................32結(jié) 論 ..............................................................................................................................................36參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................37附錄:原理圖 ..................................................................................................................................38致 謝 ..............................................................................................................................................39 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1第一章 緒論 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景、發(fā)展歷史及意義 溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面，是與人們息息相關(guān)的一個(gè)實(shí)際問題。單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。電阻爐是利用電流通過電阻體產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。它適用于：① 機(jī)械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理 ；② 各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等。電阻爐按爐溫不同可以分為低溫電阻爐(600～700℃以下) 、中溫電阻爐(700℃～1200℃ )、高溫電阻爐(1200 ℃以上 )。因此各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娮锠t溫度控制的穩(wěn)定性、可靠性、精度等要求也越來越高，溫度測量控制技術(shù)也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一項(xiàng)重要技術(shù)。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個(gè)參數(shù)。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，PID控制對(duì)小型電阻爐的溫度控制效果良好。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)2第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證 溫度控制系統(tǒng)的目的和功能溫度是一個(gè)非常重要的物理量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過程。因此對(duì)溫度的檢測的意義就越來越大。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時(shí)候都需要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進(jìn)行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。溫度采集控制系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這條道路就是芯片化道路。單片機(jī)誕生于二十世紀(jì)七十年代末，經(jīng)歷了SCM 、MCU和SOC三大階段。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛。本設(shè)計(jì)是對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當(dāng)電阻爐溫度低于設(shè)定下限溫度時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電阻爐發(fā)出加熱信號(hào)，使電阻爐溫度上升，當(dāng)電阻爐溫度高于設(shè)定上限溫度時(shí)，系統(tǒng)使電阻爐停止加熱，使溫度下降，當(dāng)電子流溫度下降到下限溫度以下時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使電阻爐繼續(xù)加熱。LED燈即時(shí)顯示溫度。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以AT89C52單片機(jī)為檢測控制中心，將溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。單片機(jī)將傳感器所采集到的溫度和事先設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)將發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)加熱裝置；當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)將關(guān)閉加熱裝置，從而使得被控溫度控制在一定的范圍之內(nèi)，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的功能。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)4第三章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)為核心，本系統(tǒng)選用 12MHZ 的晶振，使得單片機(jī)有合理的運(yùn)行速度,復(fù)位電路為按鍵高電平復(fù)位。AT89C52 是一種低功耗/ 低電壓、高性能的 8 位單片機(jī)。它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 兼容、片內(nèi)的 Flash 存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來編程?；谏鲜鲞@些特點(diǎn)，這里選擇 AT89C52 單片機(jī)作為控制核心。Vcc，電源端； GND，接地端。單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基石。AT89C52單片機(jī)：AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，器件采用ATMEL 公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。同時(shí)，AT89C52停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89C52 單片機(jī)的引腳說明VCC： 供 電 電 壓 ； GND： 接 地 。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)；校驗(yàn)程序時(shí)輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/0端口。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/0端口。端口置1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址。P3 口 ： P3 口 管 腳 是 8 個(gè) 帶 內(nèi) 部 上 拉 電 阻 的 雙 向 I/O 口 ， 可 接 收 輸 出 4 個(gè) TTL 門電 流 。 作 為 輸 入 ， 由 于外 部 下 拉 為 低 電 平 ， P3 口 將 輸 出 電 流 （ ILL） 這 是 由 于 上 拉 的 緣 故 。 RST： 復(fù) 位 輸 入 。ALE/PROG： 當(dāng) 訪 問 外 部 存 儲(chǔ) 器 時(shí) ， 地 址 鎖 存 允 許 的 輸 出 電 平 用 于 鎖 存 地 址 的 地位 字 節(jié) 。 在 平 時(shí) ， ALE 端 以 不 變 的湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)7頻 率 周 期 輸 出 正 脈 沖 信 號(hào) ， 此 頻 率 為 振 蕩 器 頻 率 的 1/6。 然 而 要 注 意 的 是 ： 每 當(dāng) 用 作 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 時(shí) ， 將 跳 過 一 個(gè)ALE 脈 沖 。 此 時(shí) ， ALE 只 有 在 執(zhí) 行MOVX， MOVC 指 令 是 ALE 才 起 作 用 。 如 果 微 處 理 器 在外 部 執(zhí) 行 狀 態(tài) ALE 禁 止 ， 置 位 無 效 。 在 由 外 部 程 序 存 儲(chǔ) 器 取 值 期 間 ， 每 個(gè) 機(jī) 器 周期 兩 次 /PSEN 有 效 。EA/VPP： 當(dāng) /EA 保 持 低 電 平 時(shí) ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲(chǔ) 器 ， 不 管 是 否 有 內(nèi) 部 程序 存 儲(chǔ) 器 。 在 FLASH 編 程 期 間 ， 此 引 腳 也 用 于 施 加 12V 編 程 電 源 （ VPP） 。XTAL2： 來 自 反 向 振 蕩 器 的 輸 出 。 該 反 向 放 大 器 可 以 配 置 為 片內(nèi) 振 蕩 器 。 如 采 用 外 部 時(shí) 鐘 源 驅(qū) 動(dòng) 器 件 ， XTAL2 應(yīng)不 接 。本 設(shè) 計(jì) STC89C52 單 片 機(jī) 的 P1 P1 P1 P17 口 接 的 是 四 位 按 鍵 ， 口和 口 接 LED 顯 示 ， X1 和 X2 接 的 是 晶 振 電 路 ， RESET 接 復(fù) 位 電 路 。單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS51 單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，高電平有效。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)，RC 電路充電，RST 引腳出現(xiàn)正脈沖，提供復(fù)位信號(hào)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)，為可靠起見，電源穩(wěn)定后湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)8還要經(jīng)一定的延時(shí)，才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。調(diào)整 RC 常數(shù)會(huì)令對(duì)驅(qū)動(dòng)能力產(chǎn)生影響。最常用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接晶振和電容組成的。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。晶振的頻率可以在 1MHz24MHz 內(nèi)選擇。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值為 30μF。XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。因此，我們首先要選擇合適的測溫元件，對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。補(bǔ)償導(dǎo)線法：湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)10圖 36 補(bǔ)償導(dǎo)線法的連接圖冷端補(bǔ)償法：（1）將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端溫度保持 0℃不變的方法稱為冰浴法。由于冰融化比較快，因而一般只適合在實(shí)驗(yàn)室中使用。（3）將熱電偶的冷端置于恒溫的空調(diào)房間中，使冷端溫度保持恒定。若冷端溫度高于 0 ?C，則 EAB（t，t 0）E AB（t，0 ?C）。 放 大 電 路運(yùn)算放大器使所有的線性電路中最重要的基本構(gòu)件。運(yùn)算放大器這一術(shù)語最早應(yīng)用于在模擬計(jì)算機(jī)中執(zhí)行默寫數(shù)學(xué)運(yùn)算的下限頻率為零赫茲的高增益放大器。早期的運(yùn)算放大器使用分立元件，但現(xiàn)在使用集成電路就更為方便了。因此，圖 38 所示的符號(hào)用來表示運(yùn)算放大器。 +同 向 輸 入 端反 向 輸 入 端 輸 出正 電 源負(fù) 電 源 12436578圖 38 運(yùn)算放大器的符號(hào) 圖 39 運(yùn)算放大器的封裝湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)12 溫度傳感器的選擇傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要作用是將感知的被測非電量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一量值輸出，通常是電信號(hào)。傳感器所獲取的信息通常有物理量、化學(xué)量和生物量等，而經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的信息多數(shù)為電量，如電阻、電容、電感、電壓、電流及頻率與相位的變化等，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。一般情況下經(jīng)過一次變換后的信息具有以下特點(diǎn)：（1） 輸出電信號(hào)通常為模擬量；（2） 輸出電信號(hào)一般較微弱；（3） 輸出電信號(hào)的信號(hào)噪聲比較小，甚至有用信號(hào)淹沒在噪聲之中；（4） 傳感器的輸入輸出特性通常存在一定的非線性，并易受環(huán)境溫度及周圍電磁干擾的影響；（5） 傳感器的輸出特性與電源的定性等有關(guān)，通常要求恒壓或恒流供電。傳感器的選擇受到很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其次是各種不同的環(huán)境因素，還有就是系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的精度等，所以在不同的設(shè)計(jì)當(dāng)中溫度傳感器的選擇也將不同。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱電效應(yīng)原理的一種感溫元件。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。方案二：熱電阻傳感器熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。它的主要特點(diǎn)是：測量精度高，性能穩(wěn)定。從熱電阻的測溫原理可以知道，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來表現(xiàn)的。為消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器半導(dǎo)體IC溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN 結(jié)的電流、電壓與溫度變換關(guān)系來測溫的一種感溫元件。IC溫度傳感器在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測，以便微型計(jì)算機(jī)對(duì)溫度測量值進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器的I/O接口相連接，組成自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)克服了模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有DS18B20等。而DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，并且采用單總線技術(shù)，使該傳感器不但可以直接與單片機(jī)I/O 口相連，并且只需要一個(gè)I/O就可以連接多個(gè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量與控制。但是DS18B20的測溫范圍僅限 55℃～+125 ℃，而電阻爐的溫度大約在一千度左右，所以從測溫范圍的大小、精度要求以及價(jià)格等多方面因素綜合考慮，最終選擇K 型熱電偶傳感器。K型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與CPU 通信。在現(xiàn)場使用中根據(jù)環(huán)境，被測介質(zhì)等多種因素研制成適合各種環(huán)境的熱電偶。 熱電偶溫度信號(hào)的線性化熱電偶溫度信號(hào)非線性是比較大的，如 B 型熱電偶，從 0176。C，熱電勢(shì)從 0mV 變化到 ，每 100176。B 偶的最大輸出熱電勢(shì)只有 ，而且當(dāng)溫度升高到約 1700176。其它熱電偶都存在類似的問題，盡管稍有不同。從這一特性出發(fā)，熱電偶溫度信號(hào)的線性化主要有如下幾種方法。幾種非線性稍小的熱電偶，可以采用這種方法，特別是在溫區(qū)要求不寬的情況下。(2)折線近似法：這是一種對(duì)非線性較大的信號(hào)處理的較好的方法。這種方法普遍適用于各種熱電偶的整個(gè)正信號(hào)溫區(qū)。該電路的工作過程是：當(dāng)輸